Osciloscop catodic-Componente si mod de functionare

Aplicatii in medicina ale

osciloscopului catodic

Marhelka Cosmin

Totorean Alin

clasa a X- a B

Osciloscopul catodic este un aparat de masurare sau observare, care utilizeaza unul sau mai multe

fascicule de electroni pentru a da o reprezentare a valorilor instantanee ale semnalului electric masurat in

functie de diverse marimi variabile, dintre care cel mai des intalnita este timpul. Aceasta reprezentare se

realizeaza pe ecranul unui tub catodic, de unde si denumirea de osciloscop catodic. Este instrumentul tipic

de analiza a semnalelor in domeniul amplitudine - timp.

Osciloscopul a devenit tot mai mult un aparat universal de masurat, datorita numarului mare de parametri

ai semnalelor electrice care se pot analiza: perioada, frecventa;timpi de crestere, de cadere ai fronturilor

impulsurilor;intarzierea, durata, factorul de umplere.

Scurt istoric

In 1897 a fost inventat primul tub cu raze catodice.La inceput a fost utilizat in oscilografe.

Multi cercetatori au incercat sa imbunatateasca tubul cu raze catodice pentru afisarea imaginilor fotografice.Manfred von Ardenne a produs un tub de joasa tensiune care a fost introdus de inginerii de la General Radio Co in primul osciloscop rudimentar cu tub cu raze catodice (1931).Aparatul era compus din doua parti :

Un tub cu raze catodice , cu diametrul de 6 inch (15,2 cm), protejat printr-un cilindru exterior la bombardamentele ionice

O cutie in care erau montate circuitele pentru controlul focalizarii.

S-au obtinut astfel semnale vizibile in prezenta luminii ambiante.Durata de viata a tubului era de 1000 de ore, iar pretul de vanzare de 265 dolari.

Osciloscopul modern a fost dezvoltat de Allen Du Mont, care a deschis un laborator pentru proiectarea tuburilor cu raze catodice (1931).Cu un astfel de tub, in anul 1932 Du Mont a realizat un osciloscop cuprinzand atat circuitele pentru controlul focalizarii cat si sursa de alimentare si circuitele de baleiaj pe care a inceput sa le comercializeze la pretul de 185 dolari.Imbunatatirea tubului cu raze catodice, in principal prin scaderea potentialului anodului, alegerea unor noi materiale pentru ecran si controlul intensitatii fasciculului de electroni, au permis obtinerea in laboratoarele Du Mont a unui osciloscop cu o frecventa de baleiaj de 10-5000 Hz (1933), model imbunatatit ulterior, ajungandu-se practic la forma osciloscopului modern(1934) cu linii de masura gravate pe sticla ecranului si butoane pentru reglajul continuu al baleiajului si focalizarii.Un osciloscop similar destinat insa tehnicienilor, pentru lucrarile de service a fost lansat in anul 1935 de firma RCA.

Tabelul 1 . Etapele principale ale dezvoltarii osciloscopului

Instrumentul cel mai apropiat inginerilor, osciloscopul , a cunoscut imbunatatiri majore in perioada

anilor '50 si '60 datorita utilizarii unei configuratii elicoidale a placilor de post-accelerare la tuburile cu raze

catodice, fapt care a permis obtinerea unei straluciri marite a afisarii si cresterea vitezei de scriere; ca urmare

frecventa limita a evoluat de la 10 MHz la 100 MHz

Clasificare

Exista mai multe criterii de clasificare :

a. Dupa modul de tratare a semnalelor analizate deosebim:

- osciloscoape analogice, in care prelucrarea are loc numai in circuite analogice;
- osciloscoape numerice (digitale), in care semnalul este convertit sub forma numerica, prelucrat astfel si reconvertit in analogic pentru afisare;
- combinate.

b. Dupa modul de analiza a semnalelor in domeniul timp, deosebim urmatoarele tipuri de osciloscoape:

- osciloscoapele de timp real: sunt osciloscoapele la care intre fiecare punct al imaginii de pe ecran si fiecare valoare momentana a semnalului exista o corespondenta biunivoca. Banda lor de frecventa poate atinge 500 MHz;
        - osciloscoapele cu esantionare (DSO- Digital Sampling Oscilloscope), cu care, aplicand o tehnica speciala de esantionare, se pot analiza semnale cu frecvente de pana la 50 GHz. Datorita acestei tehnici ele se mai numesc si osciloscoape de 'timp translatat'.

    O alta categorie de osciloscoape sunt cele cu memorie: in tehnica analogica acestea sunt echipate cu

tuburi catodice al caror strat de luminofor prezinta proprietatea de remanenta a imaginii; ele sunt deosebit

de utile in analiza fenomenelor tranzitorii (foarte rapide si care nu se repeta).

Componente si mod de functionare

Un osciloscop catodic este format dintr-un electronic(tub catodic),generator de baleiaj,

amplificatoare.

Tubul catodic este format dintr-un tub de sticla vidat, in care sunt fixate:catod, grila de control,anod de

focalizare,anod de accelerare,placi de deflexie si ecran.

Catodul este incalzit la o temperatura ridicata cu ajutorul unui filament de incalzire, iar electronii se

evapora din suprafata lui.(Inainte ca natura acestui proces de emisie electronica sa fi fost complet inteleasa

acestor electroni li se dadea numele de ,,raze catodice˝).Anodul de accelerare, care are un mic orificiu in

centrul lui este mentinut la un potential pozitiv mai ridicat decat cel al catodului, astfel incat intre catod si

anod sa existe uncamp electric dirijat de la dreapta la stanga.Acest camp este limitat de spatiul cuprins

intre catod si anod, iar electronii care trec prin orificiul practicat in anod, se deplaseaza de la anod catre

ecranul fluorescent.Functia grilei de control este de a regla numarul de elctroni care ajung la anod(si deci

luminozitatea spotului de pe ecran).Anodul de focalizare face ca electronii care au parasit catodul in

directii putin diferite, sa ajunga cu totii in acelasi punct de pe ecran.Ansamblul complet, format din

catod,grila de control, anod de focalizare si electrod de accelerare este numit tun electronic.

Electronii accelerasi trec prin doua perechi de placi de deflexie(pe orizontala si pe verticala).Campul

electric realizat intre primele doua placi ii deviaza spre dreapta sau spre stanga si campul dintre

celelalte doua placi ii deviaza in sus sau in jos.In absenta unor astfel de campuri,electronii se propaga in

linie dreapta de la orificiul anodului de accelerare pana la ecranul fluorescent si produc un spot luminos pe

ecran, in punctul unde il ciocnesc.Ecranul se numeste fluorescent deoarece contine o subsatnta numita

luminofor, care transforma energia cinetica a electronilor care strabat tubul catodic, in energie luminoasa.

Baza de timp include acele circuite care genereaza tensiunea baza de timp si asigura sincronizarea acesteia cu semnalul vizualizat. Se deosebesc:cursa directa, de durata t_d, corespunzand portiunii liniar crescatoare, in care spotul parcurge ecranul de la stanga la dreapta; cursa inversa de durata t_i (portiunea descrescatoare), in care ecranul este parcurs de la dreapta la stanga si care este mult mai scurta in timp.
    Vizualizarea semnalului y(t) are loc pe durata cursei directe. In acest interval intereseaza in primul rand liniaritatea semnalului baza de timp,pentru a asigura o redare fara distorsiuni a tensiunii aplicate la intrareaY.
    Pe durata cursei inverse liniaritatea nu intereseaza; importanta este durata cat mai mica a acestei curse, scop in care se accepta un raport minim:

    t_i / t_d < 0,1

Alaturi de multe alte domenii, medicina a beneficiat din plin de perfectionarile aduse aparaturii electronice.In anul 1960 , firma Lockheed, a anuntat producerea unui transmitator MF portabil, datele de la electrozii plasati pe corpul uman fiind transmise la un receptor ce permitea efectuarea electrocardiogramei (EKG).

Din totalul echipamentelor electronice medicale : 1,0% sunt electrocardiografe;1,5% sunt electroencefalografe ; 8,9% sunt echipamente de diagnosticare, de baleiaj, cu ultrasunete;7,4% sunt sisteme de monitorizare;4,2% monitoare pentru presiunea sangelui

Osciloscopul a fost folosit de cercetatorii de la Universitatea Colorado pentru producerea unei imagini in doua dimensiuni, similara cu cea executata cu raze X, utilizand ultrasunete in impulsuri.

In medicina sunt folosite osciloscoape cu memorie (analogice). Pe suprafata interioara a tubului de sticla se depune un strat metalic fin, transparent M; efectul de memorie este realizat cu granule dintr-un material luminescent dispersate, lipite de pelicula M.
    Tubul prezinta un tun electronic principal TP(de 'scriere'), care emite electroni rapizi , purtatori de informatie, si doua tunuri de intretinere, auxiliare, TA, care emit electroni lenti  raspanditi pe toata suprafata ecranului cu electrodul de colimare EC, format dintr-o patura metalica subtire depusa pe suprafata interioara a tubului.Electronii rapizi  produc la impactul cu ecranul o puternica emisie secundara, deci stratul G se incarca pozitiv. Fascicolul de electroni lenti  (cu energie mica si viteza redusa) care loveste ecranul poate produce urmatoarele efecte: pe zona neatinsa de fascicolul de 'scriere' se acumuleaza electroni, fara a produce emisie secundara (deci luminescenta) ;pe zona atinsa de fascicolul de 'scriere', datorita sarcinii pozitive, electronii sunt accelerati, produc emisie secundara si mentin oscilograma, chiar dupa disparitia tensiunii(in cazul medicinii a ritmului cardiac) de studiat. Pentru stergerea oscilogramei (vizualizata initial de fascicolul emis de tunul principal TP si apoi memorata cu ajutorul fasciculelor emise de tunurile auxiliare TA) se aplica un potential pozitiv, de valoare mare, pe electrodul M.

Pe toracele pacientului se aplica electrozi conectati la un osciloscop.Impulsurile pe care electrozii le transmit osciloscopului, sunt impulsuri electrice .In tubul catodic fasciculul de electroni au o energie cinetica, care este transformata de luminoforul de pe suprafata interioara a ecranului in energie luminoasa, aparand astfel spotul.Procesul acesta de redare grafica a ritmului cardiac este realizat intocmai cum a fost descris la functionarea unui osciloscop.Daca pacientul are puls pe ecranul oscilosopului va aparea un grafic care creste si scade(nu intotdeauna este periodica aceasta crestere si scadere).Daca graficul nu este la fel pe toata perioada monitorizarii pacientului acesta are probleme cardiace.In astfel de cazuri extreme medicul stie ca trebuie sa intervina.Imaginea de pe ecran este insotita si de sunet.De fiecare data cand curba atinge punctul de maxim se aude un piuit.In cazul in care pacientul nu mai are puls, pe ecran va aparea o linie continua si un piuit care nu inceteaza.In acest caz medicul stie ca trebuie sa intervina pentru a-l resuscita.De fiecare data cand ii stimuleaza electric inima, cu ajutorul a doua  padele incarcate electric, pe ecran apare din nou un grafic neregulat,insa daca inima nu raspunde la impulsuri, graficul devine din nou constant,sub forma unei linii, insotite de un sunet continuu.

Ecranul osciloscopic este folosit si in ecocardiografie(ultrasonocardiografie).Ea foloseste un ecograf cu cristal piezoelectric care se aplica pe toracele bolnavului; ecourile captate sunt convertite in energie electrica, amplificate si expuse pe un ecran osciloscopic, sub forma unor puncte sau linii verticale, miscatoare. Astfel, se cerceteaza ecoul (si totodata functia) valvulei mitrale, apoi a celor aortice, tricupside si pulmonare.

Bibliografie :

Octavian Popescu, ,,Stiinta si tehnica in slujba sanatatii˝

Ing. Petrea Tabarcea,Ing.Gheorghe Ghiur, ,,La  frontierele electronicii˝

F.W.Sears,M.W.Zemansky,H.D.Young, ,,Fizica˝

Internet